Размещено на http://www.allbest.ru/

Вплив джерел нагріву з використанням воднево-кисневої суміші на формування структури при наплавленні релітних матеріалів

Є.А. Захаров, Ю.С. Попіль, В.М. Корж

Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», Україна, Київ

Розглянуті питання по використанню стрічкового реліта для наплавлення на малогабаритні деталі складної форми, з застосуванням в якості джерел енергії, газового полум'я, плазмового струменя де робочим газом є воднево-киснева суміш. Визначені умови, утворення та формування структури наплавленої поверхні в залежності від теплових характеристик концентрованих джерел енергії та технологічних параметрів процесів, представлені результати твердості матриці, характер розподілення твердих часток в ній.

Ключові слова: стрічковий реліт, карбід вольфраму, плазмовий струмінь, структура

Найвищу зносостійкість при роботі в зазначених умовах мають композиційні покриття на основі тугоплавких сплавів.

Найкращі зносостійкі властивості має реліт, евтектичний сплав моно і полукарбіду вольфраму WC+ W2C(20-22 % WC+78-80 % W2C) [2].

Показником структурного складу і продуктивності наплавлення релітними композиціями є потужність електричної дуги, плазмового струменя, який впливає на формування наплавлених шарів, основним показником є погонна енергія. Аналіз технічної літератури показує, що при наплавленні стрічкового матеріалу за допомогою лазерного променю, погонна енергія складає від 267 до 320 Дж/мм, для наплавлення в захисних газах складає від 870 до 960 Дж/мм, при наплавці під флюсом від 1890 до 3780 Дж/мм [5]. Щільність енергії яка передається від плазмового струменю, до нагріваємої поверхні виробу в два рази більша ніж відкритої не стисненої дугу, при такій щільності енергії швидкість теплові д- воду в деталь, більше швидкості теплопередачі, це дозволяє наплавляти за один прохід невелику товщину валика з малою долею присутності основного металу в наплавленому шарі, та зменшення напружень і деформацій в виробі [6].

Матриця, її фізичні властивості, є основними показниками до ресурсу робочої релітної наплавленої поверхні. Матриця відрізняється твердістю, яка визначається по методу Роквелла, HRC 10-20 дуже м'яка матриця, HRC 15-20-мяка, HRC 25-30-середня твердість, HRC 30-35-тверда, HRC 50-55-дуже тверда. Більш тверда матриця призначається для створення інструменту для буріння більш твердих гірничих порід. Правильний вибір та отримання твердості матриці задає темп її зношування і оголення зерна [12]. Склад сплавів матриці представ в табл.1, для стрічкового реліту ЛС 6-7, основою матриці є залізо, може використовуватись нікель та інші метали.

Таблиця 1. Хімічний склад сплавів, використаних в якості матриці

При виготовленні та відновленні виробів, які працюють в складних умовах, для створення зносостійких поверхонь з підвищеною функціональністю, крім фізичних властивостей, високі вимоги пред'являються до ефективності та мобільності технології наплавлення. Крім фізичних властивостей полум'я утворюючого середовища важливим показником є взаємодія середовища з рідким матеріалом. Воднево-киснева суміш (ВКС), яка виробляється в співвідношенні 2:1 носить окислювальний потенціал, і при наплавленні сталей відбувається інтенсивне окислення, що знижує механічні властивості наплавленого металу шва. Регулювати окислювально-відновлювальні реакції, можливо за рахунок введення в суміш вуглеводневих сполук, додаткових розкислювачів, через присадковий матеріал, або флюси [14]. При наплавленні реліту, чиста ВКС є найбільш ефективною, так як водень з одного боку захищає зварювальну ванну від окислювання, має високу теплопровідність і викликає помітні зменшення вуглецю в залізовуглецевих сплавах [15]. При використанні ВКС, як плазмоутворюючої суміші, за рахунок високих температур плазми більших 5000 К, та процесів в ядрі струменю, знижується можливість проникнення кисню на нагріту оброблювальну поверхню [16].

З цією метою на кафедрі смарт технологій з'єднань та інженерії поверхонь, ІМЗ ім. Є.О. Патона, КПІ ім. Ігоря Сікорського проводяться роботи з розробки технологій використання воднево-кисневого полум'я для наплавки зносостійких матеріалів в ручному режимі та механізованому з використанням воднево-кисневої плазми [17, 18].

Дослідити вплив фізико-хімічних процесів в струмені плазми, полум'я при використанні в якості, плазмоутворювальної, пальної, воднево-кисневої суміші (ВКС), на механічні властивості наплавленого шару релітних композицій, за рахунок зміни структури та розподілення зерен карбіду вольфраму в м'якій частині композиту. Розробити технологію наплавлення з послідуючою механічною обробкою наплавленого шару на малогабаритних деталях складної форми.

Фіксувалися технологічні параметри процесу, швидкість наплавлення, продуктивність, геометрія валика, втрати на розбризкування, ефективність використання теплової енергії визначали через ефективний К.К.Д. наплавлення. Ефективна теплова потужність джерела нагрівання вкладена в поверхню металічного зразка досліджувалась калориметром та розраховувалась. Для обґрунтування технологічних процесів формування шару за критерій була обрана погонна енергія джерела енергії.

З наплавлених валиків вирізали повздовжні зразки для дослідження структури та фазового складу металу швів, а також вимірювання мікротвердості. Для травлення шліфів використовували 4% розчин азотної кислоти в спирті. В процесі травлення, на досліджуваний об'єкт здійснювалося тимчасовий вплив, за умови однакового температурного пливу в діапазоні 20 -25 °С. Час травлення варіювався від 15 до 60 с, залежно від хімічного складу зразка. Протравлені шліфи оглядалися і фотографувалися на спеціальному оптичному металографічному мікроскопі Olympus GX51, який має в своєму складі аналізатор зображень SIAMS 700, твердоміром ИТ5010-01 вимірювалась мікрoтвердість наплавленого реліту у різних композиційних шарах.

Використовувалася таке обладнання: Для порівняння та аналізу режимів наплавлення в дослідженні застосовувались обладнання для аргоно-дугового TIG процесу наплавлення, газополуменевого, ацетилено-кисневого та наплавлення з ВКС використанням стандартних пальників. Для підвищення ефективності та механізації процесу наплавлення застосовували воднево-кисневий плазмовий струмінь рис.1. Електролізно-водяний генератор моно полярного типу А1803УХЛЧ, з максимальною продуктивністю по виробленню воднево-кисневої суміші - 1,6 м3/г., Джерело живлення інверторного типу для плазмового різання CUT - 40, з напругою холостого ходу 300 В і максимальним струмом 40А. За основу конструкції плазмотрона був узятий катодний вузол мікроплазмового пальника з вихідним діаметром сопла 3 мм. Розміщення плазмотрону та механізоване переміщення здійснювалось на установці АСШ-70.

Рис. 1. Процеси наплавлення стрічковим релітом: а - воднево-кисневим плазмовим струменем, б - воднево-кисневим полум'ям, в - TIG

Розподілення зерен карбіду вольфраму в об'ємі зварювальної ванни залежить від характеру розповсюдження тепла. При збільшені кількості енергії що вноситься в зварювальну ванну, збільшується час перебування її у рідкому стані. Через те, що карбід вольфраму в декілька разів має більшу щільність ніж сплав матриці, він встигає осісти в нижню частину ванни. Як показують досліди, саме об'єм зварювальної ванни впливає на просторове розподілення твердих частинок карбіду вольфрама в наплавленому шарі з використанням релітних композицій. При швидкому нагріванні і охолоджені реліт розміщується по всій переферії шва, при більш довгочасному нагріванні тверда частина опускається в низ, що ущільнює нижню частину твердої фази, а м'яка композиція на основі B-Fe-Cr, яка має меншу температуру плавлення знаходиться в поверхневому шарі. При наплавленні стрічковим релітом використовувались флюси, такі як (бура) тетраборат натрію Na2[B4O5(OH)4]-8H2O, присутність бору в м'якій фазі сплаву, достатньо для інтенсивного змочування та розтікання по твердих частинках релітних зерен і п о- верхні металу на який наплавляється шар, та захисту від високотемпературного окислення вольфраму.

Таблиця 2. Результати досліджень

В ході експериментів з технології наплавлення, та мікроструктури шарів кращі результати показало наплавлення з застосуванням воднево-кисневого плазмового струменю. Завдяки таким своїм унікальним властивостям, як не висока температура, висока ентальпія, висока теплопровідність, та екологічність це плазмове середовище найкраще підходить до механізованої та ручного наплавлення стрічковим релітом. Ентальпія плазмового струменю регулюється за рахунок витрат плазмоутворювальної суміші та прикладеній електричній потужності. Для запобігання перегрівання карбідів вольфраму високими температурами і не допущення їх розчинення в залізній матриці композиту, температура регулювалась в технологічному плані, зміною відстані від сопла-анода до обєкту нагрівання. Що по відношенні з дуговим наплавленням покращує контроль та візуальне спостереження за процесом наплавлення.

На підставі отриманих результатів можна зробити висновок, що при наплавленні стрічковим релітом існує оптимальна технологічна область, в якій кількість вкладеного тепла достатня для існування рідкої ванни, в якій відбувається рівномірне розподілення карбіду вольфраму, і не буде розчинення та зменшення розмірів. Що забезпечить високі механічні властивості наплавленого шару. Такою областю для газополуменевої обробки з використанням воднево-кисневого полум'я є V = 1000л/г та швидкість наплавлення W = 2 - 3,6 мм/с та плазмової обробки з воднево-кисневим плазмовим струменем I = 40 А, V = 100 В, та швидкістю наплавлення W = 5мм/с.

На фотографіях, отриманих за допомогою оптичної металографії, після травлення на межі зерен і на тіло зерна рис. 2, показано структуру наплавленого металу при десятикратному збільшенні.

Рис. 2. Мікроструктури для різних способів наплавлення: а - наплавлення з використанням ацетилено-кисневого полум 'я Vc2 н2 = 0,2м3/г; б - наплавлення з використанням воднево-кисневого полум 'я V н2 = 1м3/г. 1 - матриця, 2 - зерна решту, 3 - основний метал Ст. 5

Як видно з результатів мікроструктурного аналізу рис. 2, а, наплавлення ацетилено-кисневим полум'ям, зерна карбіду вольфраму розміщуються, як в верхній, так і в нижній частинах зварювальної ванни. Між цими шарами існує проміжок м'якої матриці, що вказує на те, що час існування рідкої ванни був недостатній, верхня частина карбідів не встигла зануритись. При такій же ефективній тепловій потужності на рис. 2, б, відбувається процес осідання, що можна пояснити високою теплопровідністю газової суміші та рівномірному нагріву з вирівнюванням температур по всій площі ванни. При розгляді мікроструктури рис. 3, а, наплавленої з використанням струміню воднево-кисневої плазми, при високій швидкості наплавлення, та недостатній ефективній тепловій потужності, карбіди вольфраму розміщуються по всій площині наплавленого валика. При збільшенні потужності практично в два рази, і зменшуючи час наплавлення, рис. 3, б, мікроструктура показала, що це достатньо для більшого часу існування рідкої фази, і повного осідання в нижню частину зварювальної ванни. Ефективна теплова потужність яка вкладалася при наплавленні з використанням струменя воднево-кисневої плазми в 2,5 разів більше ніж при інших способах наплавлення, це пояснюється більш щільним розміщенням релітних зерен в наплавленому шві.